3Dで見るスマートフォンカメラを実現

April, 22, 2022, Stanford--現在､CMOSセンサを搭載しているカメラは､2Dでしか見ることができず､絵を描くようなフラットな画像を捉えるだけである｡
　スタンフォード大学の研究者は､標準的な画像センサが光を3Dで見ることができる新たなアプローチを開発した｡すなわち､これら普通のカメラが物体までの距離計測に使える｡

エンジニアリングの可能性は劇的である｡光による物体間の距離の計測は､現状では特殊で高価なLiDARシステムでしかできない｡

｢現状のLiDARは大きく､嵩張るが､いずれ､数100万の自律ドローンや軽量ロボット車輌に搭載されるようになる､非常に小さくて､エネルギー効率が優れ､高性能のものが欲しくなる｣と､Nature Communicationsに､LiDARに使用できるコンパクトでエネルギー効率のよいデバイスを発表した論文の筆頭著者､OkanAtalarは説明している｡

マシーンの見方を変更
標準センサに3Dイメージングを付加する1つのアプローチは､光源と変調器を追加することで達成される｡これにより１秒に数100万回､光をON/OFFする｡光の変化の計測で､エンジニアは距離を計算できる｡それは既存の変調器もできるが､それらは比較的大きなエネルギーを必要とするので､非常に大きく､実際､日常利用には､それらは全く非実用的である｡

Laboratory for Integrated Nano-Quantum Systems (LINQS) およびArbabianLab研究所と協力してスタンフォードチームが考案したソリューションは､音響共振として知られる現象に依拠している｡チームは､2つの透明電極で覆ったリチウムナイオベート(LN)の薄いウエファを使ってシンプルな音響変調器を構築した｡LNは､電気､音響および光学特性には極めて望ましい透明結晶である｡

重要な点は､LNが圧電物質であること｡すなわち､その電極から電気を印可すると､その原子構造の核で結晶格子は形を変える｡それは､非常に高い､予測可能､制御可能な周波数で振動する｡それが振動すると､LNは強く光を変調する｡いくつかの偏光子を追加すると､この新しい変調器は､光を１秒に数100万回効果的にON/OFFする｡

｢さらに､ウエファと電極の形状が光変調の周波数を規定する｡したがって､周波数を微調整することができる｡形状を変えると､変調周波数を変えることができる｣(Atalar)｡

技術的には圧電効果は､結晶を通して音響波を作る､それが光の偏光を望ましく､調整可能､利用しやすく回転させる｡それが､チームの成功を可能にしたカギとなる技術的な出発である｡次に偏光フィルタを変調器の後に注意深く設置する｡それが､この回転を強度変調に変える｡つまり､光が明､暗に変化するので､光を１秒に数100万回､効果的にON/OFFする｡

｢光をON/OFFする他の方法はあるが､この音響アプローチは､エネルギー効率が非常に優れているので､望ましい｣(Atalar)｡

実用的な成果
取り分け､その変調器の設計はシンプルであり､日常利用の携帯電話やデジタルSLRsに搭載されている市販カメラを使う提案システムに組みこめる｡Atalarと電気工学准教授､アドバイザー､プロジェクトのシニアオーサ､Amin Arbabianは､それが新しいタイプのコンパクト､ローコスト､省エネLiDARの基盤になると考えている｡チームは､それを｢標準CMOS LiDAR｣と名付けている｡ドローンや地球外ローバーや他のアプリケーションに用途がある｡

提案した変調器のインパクトは膨大である｡それは､どんなイメージセンサにも､欠如している3Dディメンションを付加することができる｡それを証明するためにチームは､レセプタとして市販のデジタルカメラを使用するプロトタイプLiDARシステムをラボベンチに構築した｡チームによると､そのプロトタイプは､メガピクセル解像度の奥行きマップを構築し､光変調器の動作に必要なパワーは小さかった｡

さらに良いことには､改善を加えることで､エネルギー消費を論文に報告した低い閾値の1/10に減らせた｡また､数100倍のエネルギー削減は､手が届くところにある｡それが実現すると､標準画像センサ､3Dスマートフォンカメラの小規模LiDARの未来が現実になる｡

(詳細は､https://news.stanford.edu)